Efectos atmosféricos

Los efectos atmosféricos tienen varios impactos en la radiación solar en la superficie de la Tierra. Los principales efectos para aplicaciones fotovoltaicas son:

  • una reducción en la potencia de la radiación solar debido a la absorción, dispersión y reflexión en la atmósfera;
  • un cambio en el contenido espectral de la radiación solar debido a la mayor absorción o dispersión de algunas longitudes de onda;
  • la introducción de un componente difusa o indirecta a la radiación solar; y
  • las variaciones locales en la atmósfera (tales como vapor de agua, las nubes y la contaminación) que tienen efectos adicionales sobre la potencia incidente, el espectro y la direccionalidad.

Estos efectos se resumen en la siguiente figura.

Absorción típica y cielo despejado dispersión de la luz solar incidente[1].

La absorción en la atmósfera

Como la radiación solar atraviesa la atmósfera, gases, polvo y aerosoles absorben los fotones incidentes. Gases específicos, en particular de ozono (O3), dióxido de carbono
(CO2), y vapor de agua (H2O), tenga muy alta absorción de fotones que tienen energías cercanas a las energías de enlace de estos gases atmosféricos. Esta absorción produce profundos valles en la curva de la radiación espectral.Por ejemplo, gran parte de la luz infrarroja lejana por encima 2 µm es absorbida por el vapor de agua y dióxido de carbono. Del mismo modo, la mayor parte de la luz ultravioleta por debajo 0.3 µm es absorbida por la capa de ozono (pero no lo suficiente para evitar completamente las quemaduras solares!).

Mientras que la absorción por los gases específicos en la atmósfera cambia el contenido espectral de la radiación solar terrestre, tienen un impacto relativamente menor en la potencia total. En lugar de ello, el principal factor de reducción de la potencia de la radiación solar es la absorción y dispersión de la luz debido a las moléculas de aire y polvo. Este proceso de absorción no produce las depresiones profundas en la irradiación espectral, sino que causa una reducción de potencia depende de la longitud de la trayectoria a través de la atmósfera. Cuando el sol está por encima, la absorción debida a estos elementos atmosféricos provoca una reducción relativamente uniforme en todo el espectro visible, por lo que la luz incidente aparece blanca. Sin embargo, para longitudes de las trayectorias más largas, mayor energía (longitud de onda menor) la luz es absorbida y dispersada con mayor eficacia. Por lo tanto, en la mañana y por la tarde el sol aparece mucho más roja y tiene una intensidad menor que en el medio del día.

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Una comparación de la radiación solar fuera de la atmósfera de la Tierra con la cantidad de radiación solar que llega a la Tierra misma. El ojo humano ha evolucionado hasta el punto donde la sensibilidad es mayor en las longitudes de onda más intensas [2].

The standard spectra given above and described in more detail in the appendices give a typical spectra for a sunlight. Computers models allow for more detailed models of the solar spectra for a particular location and time of day. El  Modelo Simple de la Transferencia Radiativa Atmosférica del Sol, or SMARTS,[3]se utiliza para generar los espectros solar estándar. La calculatora de espectro a PV faro solar también da el espectro solar en función de la ubicación y la hora del día. Utiliza un algoritmo más sencillo de BirdBird1986 La radiación directa y difusa debido a la dispersión incidente de luz

La luz es absorbida mientras que pasa a través de la atmósfera y al mismo tiempo que está sujeta a la dispersión. Uno de los mecanismos de dispersión de la luz en la atmósfera que se conoce como dispersión de Rayleigh que es causada por las moléculas en la atmósfera. La dispersión de Rayleigh es particularmente eficaz para la luz de longitud de onda corta (que es la luz azul) ya que tiene una λ-4 dependencia. Además de la dispersión de Rayleigh, los aerosoles y partículas de polvo contribuyen a la dispersión de la luz incidente conocido como dispersión de Mie.

La luz dispersada es no dirigido, y por lo que parece provenir de cualquier región del cielo. Esta luz se llama "difuso" luz. Dado que la luz difusa es principalmente "azul" luz, la luz que proviene de regiones del cielo distinto de donde está el sol, aparece azul. En ausencia de la dispersión en la atmósfera, el cielo parece negro, y el sol aparecería como una fuente de luz de disco. En un día claro, alrededor del 10% de la radiación solar incidente total es difusa.

Effect of clouds and other local variations in the atmosphere

El efecto final de la atmósfera de la radiación solar incidente es debido a las variaciones locales en la atmósfera. Dependiendo del tipo de cobertura de nubes, la potencia incidente se reduce drásticamente. Un ejemplo de la cobertura de nubes pesada se muestra a continuación.

Corriente de salida relativa de un conjunto fotovoltaico en un día de invierno soleado y nublado de en Melbourne con un ángulo de inclinación del arreglo de 60° [4].